范曉慧，馬 勇，錢嘉鑫，劉增文,2

(1西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100；2農業(yè)部 西北植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

植物通過釋放化學物質到環(huán)境中而產生對自身和其他植物有利或有害的直接或間接作用稱為化感效應[1-2]。植物通過根系分泌、雨霧淋溶、自然揮發(fā)、殘體分解等途徑，將化感物質釋放到周圍環(huán)境中與其他生物作用，進而促進或者抑制植物的生長發(fā)育[3]。研究樹木凋落葉對作物種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應，對實現(xiàn)綠化樹木凋落物的多樣化利用、生物有機肥和新型除草劑的研發(fā)具有現(xiàn)實意義。

植物間的化感效應在農業(yè)生產中應用較為廣泛，例如連作障礙、作物倒茬栽培、作物病害防治、化感品種的選育和秸稈還田等方面均涉及化感效應[4]。近年來，國內外學者關于植物化感效應研究非?；钴S。翻閱相關資料發(fā)現(xiàn)，水浸提液法是研究植物間化感效應最直接有效的方法[5]。例如龍柏枝葉水浸提液對5種植物的種子萌發(fā)及幼苗生長的化感效應[6]，杜仲葉水浸提液對小麥、油菜、大豆和玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[7]，欒樹葉水浸提液對白三葉生物量累積的影響[8]。研究發(fā)現(xiàn)種子萌發(fā)和幼苗生長階段是大部分植物生長受環(huán)境脅迫最敏感的時期[9]。因此，研究樹木凋落葉水浸提液對作物種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應可為城市綠化樹木凋落物的多樣化利用提供理論基礎。

樹木凋落葉是富含養(yǎng)分的有機物質，在作物播種時可以作為拌種施肥的很好種肥,同時可用來改善農田土壤性質和土壤微生物。在試驗開始之前,筆者對本研究所采用的供試樹木凋落葉養(yǎng)分含量進行了測量，發(fā)現(xiàn)供試樹木凋落葉N、P、K含量的平均值分別為32.09，22.09和8.94 mg/g，Zn和Mn含量的平均值分別為13.70和30.16 μg/g?？芍蟛糠质茉嚇淠镜蚵淙~養(yǎng)分含量豐富，適宜作為開發(fā)生物有機肥的研究材料。由于要將凋落葉用于作物的種肥(播種時拌種)或者后期施肥原料，其是否會對作物種子和幼苗生長產生化感抑制作用，目前還無定論。鑒于此，本研究通過對種子萌芽期生物學指標和盆栽苗期生理指標的測定，分析10種城市綠化樹木凋落葉水浸提液對4種大田作物生長的影響，探究10種城市綠化樹木凋落葉的施肥潛力，以期為城市綠化樹木凋落物的多樣化利用提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 樹木凋落葉的采集與受體植物種子的準備

于2018年10-11月在陜西省楊凌城區(qū)內收集青桐(Firmianasimplex)、銀杏(Ginkgobiloba)、紫葉李(Prunuscerasifera)、欒樹(Koelreteriapaniculata)、七葉樹(Aesculuschinensis)、櫻花(Cerasusserrulata)、火炬樹(Rhustyphina)、海棠(Malusspectabilis)、構樹(Broussonetiapapyrifera)和鵝掌楸(Liriodendronchinense)10種樹木的新鮮凋落葉，剔除其中的病蟲害葉以及腐爛葉，漂洗消毒后晾干并粉碎過孔徑1 mm尼龍篩備用。

參考前人研究結果[10-12]，選擇對化感效應敏感的黃瓜(Cucumissativus)、高粱(Sorghumvulgare)、小麥(Triticumaestivum)和油菜(Brassicacampestris)等作物，篩選顆粒飽滿和大小均勻且無蛀蟲的種子，用體積分數10%的H2O2溶液消毒10 min后，再用滅菌蒸餾水沖洗3～5次，在室溫下晾干用于發(fā)芽試驗。由于本研究所采用的供試樹木和作物較多，且主要目的是為了篩選具有開發(fā)生物有機肥潛力的城市綠化樹木凋落葉，按照控制變量法的思路，通過預試驗確定凋落葉水浸提液的理想質量濃度。

1.2 凋落葉水浸提液的制備

稱取100 g經1.1節(jié)處理的不同樹木的凋落葉，加800～900 mL蒸餾水浸泡48 h后，滴加蒸餾水至1 000 mL，經離心過濾后，即得到質量濃度為0.1 g/mL的各樹木凋落葉水浸提液。以此提取物作為母液，用蒸餾水稀釋獲得質量濃度為0.04 g/mL(該質量濃度值是經過預試驗篩選后確定的)的水浸提液。將供試液體保存于4 ℃冰箱備用。

1.3 種子萌發(fā)和幼苗生長試驗

在光照培養(yǎng)箱內采用培養(yǎng)皿濾紙法[13]進行種子萌發(fā)及幼苗生長試驗。將準備好的作物種子，于室溫下用制備好的凋落葉水浸提液浸泡4～5 h。量取制備好的凋落葉水浸提液5 mL，分別加入鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑(d)=12 cm)中，將處理后的25粒供試種子均勻擺放在發(fā)芽床上，每隔48 h添加1次3 mL蒸餾水以保證培養(yǎng)皿內濾紙的濕度，以無菌蒸餾水為對照，每處理設置3次重復。培養(yǎng)皿置于26 ℃、光照12 h的人工氣候培養(yǎng)箱內。每24 h記錄1次發(fā)芽種子數(以胚根突破種皮1～2 mm為發(fā)芽標準)。種子不再萌發(fā)后(萌發(fā)末期連續(xù)3 d萌發(fā)數不再變化)，記錄發(fā)芽種子總數并計算相關指標：

發(fā)芽率(GR)=
(發(fā)芽種子總數/供試種子總數)×100%

，

(1)

發(fā)芽指數(GI)=∑(Gt/Dt)。

(2)

式中：Gt為逐日發(fā)芽種子數，Dt為相應的發(fā)芽天數。

培養(yǎng)7 d后，每個培養(yǎng)皿隨機取10株幼苗，用游標卡尺測量苗高后，放入烘箱經105 ℃殺青30 min后于75 ℃下烘至質量恒定后，用萬分位電子天平測量苗干質量(含根)。幼苗葉片的葉綠素含量采用丙酮浸取法[14]測定。

1.4 數據處理

采用Excel 2010和SPSS 23.0軟件對數據進行整理和分析。采用單因素方差分析(ANOVA)檢驗10種樹木凋落葉水浸提液處理后的受體種子萌發(fā)和幼苗生長指標較對照的差異顯著性。

化感效應指數(RI)參照Williamson等[15]的方法計算：當T≥C時，RI=1-C/T；當T0時表示存在促進作用，當RI<0時表示存在抑制作用，其絕對值大小反映化感效應強度，即RI的絕對值越大，其化感效應越強。

參照文獻[16-18]的方法，選取發(fā)芽率、發(fā)芽指數、苗高、苗干質量和葉綠素含量5個指標的RI值進行主成分分析，提取特征值大于1且累計貢獻率大于80%的主成分，共2個，記為F1和F2，同時用載荷矩陣中的數據除以主成分相對應的特征值開平方根，得到主成分表達式中的每個指標所對應的特征向量，將特征向量與標準化的初始數據相乘，得到主成分表達式，將每個主成分所對應的特征值占所提取主成分特征值之和的比例作為權重，計算得到主成分綜合模型，根據模型計算不同樹木凋落葉水浸提液對4種作物化感效應的綜合主成分值(F)，當F>0時表示促進作用，當F<0時表示抑制作用，F(xiàn)絕對值的大小反映作用強度的高低。

2 結果與分析

2.1 不同樹木凋落葉水浸提液對黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

不同樹木凋落葉水浸提液對黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響見表1。

表1 不同樹木凋落葉水浸提液處理黃瓜種子萌發(fā)和幼苗生長狀況Table 1 Seed germination and seedling growth of Cucumis sativus treated with leaf litter water extracts from different trees species

不同樹木凋落葉水浸提液對黃瓜種子發(fā)芽率的化感效應有促進作用，也有抑制作用，因供試樹木的種類不同而有所差異。與對照相比，紫葉李和構樹凋落葉水浸提液對黃瓜發(fā)芽率均有促進作用，其RI均為0.002 4，其余樹木凋落葉水浸提液對黃瓜種子發(fā)芽率均呈抑制作用。10種樹木中，只有紫葉李和櫻花凋落葉水浸提液對黃瓜發(fā)芽指數有促進作用，其RI均為0.009 3；其中火炬樹、青桐和鵝掌楸落葉水浸提液對黃瓜種子發(fā)芽指數呈極顯著抑制作用(P<0.01)，較對照分別降低了10.77%，11.21%和14.33%?？梢姶蟛糠謽淠镜蚵淙~水浸提液對黃瓜種子萌發(fā)過程有較強的抑制作用(表1，2)。

表2 不同樹木凋落葉水浸提液處理黃瓜種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應指數Table 2 Allelopathy index of Cucumis sativus seed germination and seedling growth treated by water extracts of different tree leaves

由表1，2可知，七葉樹、欒樹和紫葉李凋落葉水浸提液對黃瓜幼苗苗高呈極顯著促進作用(P<0.01)，較對照分別增加了62.07%，64.94%和104.02%；構樹凋落葉水浸提液對黃瓜幼苗苗高呈顯著促進作用(P<0.05)，較對照增加了45.4%；其余樹木凋落葉水浸提液對黃瓜幼苗苗高均表現(xiàn)出不同程度的抑制作用。海棠、青桐和櫻花凋落葉水浸提液對黃瓜幼苗苗干質量呈顯著促進作用(P<0.05)，較對照分別增加了2.26%，4.52%和6.21%。葉綠素含量可以表征作物幼苗的生長狀況。構樹和欒樹凋落葉水浸提液處理黃瓜幼苗葉綠素含量分別達到了1.75和1.93 mg/g，較對照極顯著增加，其RI分別為0.411 3和0.556 5，可知以上2種樹木凋落葉對黃瓜幼苗葉綠素含量有極顯著促進作用(P<0.01)。

2.2 不同樹木凋落葉水浸提液對高粱種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

由表3，4可知，10種樹木凋落葉水浸提液對高粱種子的發(fā)芽率均有不同程度的抑制作用，其中青桐、火炬樹和鵝掌楸凋落葉水浸提液對高粱種子的發(fā)芽率呈極顯著的抑制作用(P<0.01)，較對照分別降低了10.81%，11.55%和12.40%。紫葉李、海棠、櫻花和七葉樹凋落葉水浸提液對高粱種子發(fā)芽指數表現(xiàn)出不同程度的促進作用，較對照分別增加了2.35%，3.76%，5.18%和9.91%；其他樹木凋落葉水浸提液對高粱種子發(fā)芽指數均表現(xiàn)出不同程度的抑制作用。高粱幼苗苗高生長受到了不同樹木凋落葉水浸提液的抑制作用,其中紫葉李的抑制作用最強，達極顯著水平(P<0.01)，其處理高粱幼苗苗高僅為1.97 cm，較對照降低了62.48%。只有海棠凋落葉水浸提液對高粱幼苗苗干質量表現(xiàn)出促進作用，較對照增加了7.25%；其他樹木凋落葉水浸提液對高粱幼苗苗干質量表現(xiàn)出不同程度的抑制作用。10種樹木凋落葉水浸提液對高粱幼苗的葉綠素含量均有不同程度的抑制作用，其中紫葉李、構樹、青桐、海棠、七葉樹和火炬樹凋落葉水浸提液對高粱幼苗的葉綠素含量呈極顯著抑制作用(P<0.01)。

表3 不同樹木凋落葉水浸提液處理高粱種子萌發(fā)和幼苗生長狀況Table 3 Seed germination and seedling growth of Sorghum vulgare treated with leaf litter water extracts from different tree species

表4 不同樹木凋落葉水浸提液處理高粱種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應指數 Table 4 Allelopathy index of Sorghum vulgare seed germination and seedling growth treated bywater extracts of different tree leaves

2.3 不同樹木凋落葉水浸提液對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

由表5，6可知，10種樹木凋落葉中，只有櫻花、銀杏和七葉樹凋落葉水浸提液處理小麥種子發(fā)芽率均為100.00%，RI值均為0.006 7，可知以上3種樹木凋落葉對小麥發(fā)芽率有促進作用。10種樹木凋落葉水浸提液對小麥種子發(fā)芽指數均有不同程度的抑制作用，其中構樹凋落葉水浸提液對小麥種子發(fā)芽指數的抑制作用最強，可見大部分樹木凋落葉水浸提液對小麥種子的萌發(fā)均有抑制作用。

由表5，6可知，與對照相比，10種樹木凋落葉水浸提液處理小麥幼苗苗高、苗干質量均顯著或極顯著降低，RI均為負值，說明10種樹木凋落葉水浸提液對小麥幼苗苗高、苗干質量均有不同程度的抑制作用。10種樹木中，櫻花、紫葉李和青桐凋落葉水浸提液處理小麥幼苗葉綠素含量分別為1.82，1.85 和1.95 mg/g，極顯著高于對照(P<0.01)，其RI分別為0.213 3，0.233 3和0.300 0，可知以上3種樹木對小麥幼苗葉綠素含量有極顯著促進作用；七葉樹凋落葉水浸提液處理小麥幼苗葉綠素含量較對照顯著增加了13.33%(P<0.05)，可知其有顯著促進作用。

表5 不同樹木凋落葉水浸提液處理小麥種子萌發(fā)和幼苗生長狀況Table 5 Seed germination and seedling growth of Triticum aestivum treated with leaf litter water extracts from different tree species

表6 不同樹木凋落葉水浸提液處理小麥種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應指數Table 6 Allelopathy index of Triticum aestivum seed germination and seedling growth treated by water extracts of different tree leaves

2.4 不同樹木凋落葉水浸提液對油菜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

由表7，8可知，紫葉李和海棠凋落葉水浸提液處理油菜種子發(fā)芽率分別為89.32%和90.32%，RI分別為0.011 9和0.023 2，可知以上2種樹木對油菜種子發(fā)芽率有促進作用。櫻花凋落葉水浸提液對油菜種子發(fā)芽指數有極顯著化感促進作用(P<0.01)，RI為0.214 0；海棠凋落葉的化感促進作用較弱，其RI值為0.018 7。

由表7和表8可知，10種樹木中，七葉樹、海棠和櫻花凋落葉水浸提液對油菜幼苗苗高表現(xiàn)出極顯著促進作用(P<0.01)，其較對照分別增加了29.47%，30.13%和57.28%；紫葉李和構樹凋落葉水浸提液對油菜幼苗苗高表現(xiàn)出顯著的促進作用(P<0.05)，較對照均增加了27.48%。大部分樹木凋落葉水浸提液對油菜幼苗苗干質量的化感效應較弱，其中紫葉李和櫻花凋落葉水浸提液對油菜幼苗苗干質量有促進作用，較對照分別增加了1.64%和3.55%。

由表7和表8還可知，10種樹木中，只有海棠凋落葉水浸提液對葉綠素含量表現(xiàn)出促進作用，較對照增加了5.88%。

表7 不同樹木凋落葉水浸提液處理油菜種子萌發(fā)和幼苗生長狀況Table 7 Seed germination and seedling growth of Brassica campestris treated with leaf litter water extract sfrom different tree species

表8 不同樹木凋落葉水浸提液處理油菜種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應指數Table 8 Allelopathy index of Brassica campestris seed germination and seedling growth treated by water extracts of different tree leaves

2.5 不同樹木凋落葉水浸提液處理4種受體植物的綜合評價

經計算得到的4種作物的綜合主成分模型表達式分別為：F黃瓜=0.723F1+0.277F2，F(xiàn)高梁=0.646F1+0.354F2，F(xiàn)小麥=0.560F1+0.440F2，F(xiàn)油菜=0.754F1+0.246F2。根據模型計算不同樹木凋落葉水浸提液對4種受體的化感效應綜合主成分值(F)見表9。

表9 不同樹木凋落葉水浸提液處理4種作物的化感效應綜合主成分值(F)Table 9 Allelopathic effects of water extracts of fallen leaves from different trees on four crops (F)

由表9可知，不同樹木凋落葉水浸提液對4種作物的綜合化感效應表現(xiàn)出很大差異。對于黃瓜而言，紫葉李、櫻花和構樹凋落葉水浸提液的綜合促進作用均較強，其次是海棠、欒樹和七葉樹；其余樹木則起抑制作用。對于高粱而言，櫻花和海棠凋落葉水浸提液的綜合促進作用均較強，其次是欒樹、七葉樹、構樹和銀杏；其余樹木則起抑制作用。對于小麥而言，青桐、七葉樹和紫葉李凋落葉水浸提液的綜合促進作用均較強，其次是櫻花、欒樹和海棠；其余樹木則起抑制作用。對于油菜而言，櫻花和海棠凋落葉水浸提液的綜合促進作用均較強，其次為紫葉李、七葉樹和構樹；其余樹木則起抑制作用。

3 討 論

供體植物對受體植物的化感促進或抑制作用，可以通過觀測受體植物種子的發(fā)芽率以及幼苗根長和根干質量、葉長和葉干質量的表現(xiàn)來判定，且不同供體植物對受體植物的化感效應存在很大差異[19]。本試驗結果表明，10種城市綠化樹木凋落葉水浸提液對黃瓜、高粱、小麥、油菜4種作物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數、苗高、苗干質量和葉綠素含量均有不同程度的化感促進或抑制作用，主要表現(xiàn)為同一樹木凋落葉水浸提液對同一種作物不同指標的影響不一致，例如欒樹和七葉樹凋落葉水浸提液抑制了黃瓜幼苗的發(fā)芽率，卻促進了其苗高和葉綠素含量；櫻花凋落葉水浸提液抑制了黃瓜幼苗的發(fā)芽率和苗高，卻促進了葉綠素含量；紫葉李、青桐和海棠凋落葉水浸提液抑制了小麥幼苗的發(fā)芽率和苗高，卻促進了葉綠素含量；櫻花和七葉樹凋落葉水浸提液促進了小麥幼苗的發(fā)芽率和葉綠素含量，卻抑制了苗高。申時才等[20]研究發(fā)現(xiàn)，化感物質會對不同生長發(fā)育階段植物產生不同的影響，即植物種子的萌發(fā)、幼苗的生長和葉綠素含量等對化感物質的敏感性均存在差異。產生差異可能是由于供試樹木器官產生的化感物質種類、釋放途徑的差異所致[21]。

本研究結果表明，不同樹木凋落葉水浸提液對同一種作物的化感效應表現(xiàn)出不同程度的差異。如鵝掌楸和火炬樹對黃瓜種子萌發(fā)和幼苗生長均表現(xiàn)出抑制作用，而紫葉李則表現(xiàn)出促進作用，可能是由于不同樹木凋落葉水浸提液釋放的化感物質的種類和數量不同，以及作物吸收化感物質后其轉化方式也可能存在差異所致[22]。同時本研究還發(fā)現(xiàn)，不同樹木凋落葉水浸提液對不同作物及同一作物種子和幼苗的化感效應差異較大。如黃瓜、高粱和小麥等作物種子發(fā)芽率受不同樹木凋落葉水浸提液的影響不明顯；而油菜種子個體小，發(fā)芽勢較弱[23]，不同樹木對其萌發(fā)均有不同程度的抑制作用。前人研究結果表明，不同受體植物對供體植物化感物質的代謝過程存在差異，從而對供體植物的敏感性表現(xiàn)出一定差異[19]。此外，影響植物種間化感效應強弱的因素很多，如供試樹木凋落葉產生化感物質的特性、環(huán)境因子光和溫度、測試方法等[24]。

本研究發(fā)現(xiàn)，用同一樹木凋落葉水浸提液處理不同作物，其表現(xiàn)出的化感效應也有很大的差異，例如紫葉李凋落葉水浸提液對高粱種子萌發(fā)和幼苗生長表現(xiàn)出顯著抑制作用，而對黃瓜、小麥和油菜3種作物均表現(xiàn)出不同程度的促進作用；銀杏凋落葉水浸提液對小麥、油菜和黃瓜種子萌發(fā)和幼苗生長表現(xiàn)出顯著抑制作用，而對高粱則表現(xiàn)出一定程度的促進作用。前人研究結果表明，不同供體植物產生的化感物質不同，且各有其特定的抑制對象，并且具有明顯的選擇性，例如化感物質對一些受體植物種子萌發(fā)和幼苗生長表現(xiàn)出抑制作用，但對另外一些植物則無明顯作用，甚至表現(xiàn)出一定的促進作用[25-27]。Hong等[28]也認為，化感植物對雜草的抑制作用具有一定的專屬性，存在種間差異。

植物的化感物質一般都是次生代謝物質，主要包括生物堿類、糖苷類、萜類和酚類[29]。本研究結果發(fā)現(xiàn)，火炬樹和鵝掌楸凋落葉水浸提液對4種作物均能產生較強的化感抑制作用，說明這2種樹木凋落葉中的化感物質都可能是水溶性強的酚類或生物堿類，深入研究此類化感物質，將為開發(fā)新的生物除草劑提供理論依據。

本研究只是在發(fā)芽率、發(fā)芽指數、苗高、苗干質量和葉綠素含量等5個指標宏觀層面進行了分析，今后還需要深入研究10種樹木凋落葉中化感物質的微觀成分，例如可以探究凋落葉水浸提液中何種成分對4種作物的種子萌發(fā)和幼苗生長產生了影響，而且要全面地評價常見樹種對農作物的化感效應，還需深入研究樹木化感效應的機理機制，擴大濃度梯度和受體農作物的范圍。

4 結 論

櫻花、海棠和七葉樹凋落葉水浸提液對4種作物種子萌發(fā)及幼苗生長產生了明顯綜合促進作用，可以作為開發(fā)生物有機肥最有潛力的樹種。紫葉李、構樹和欒樹凋落葉水浸提液對3種作物種子萌發(fā)及幼苗生長產生了明顯綜合促進作用，也可以考慮作為開發(fā)生物有機肥的備用樹種。